■本報(bào)記者 李晨陽

近日，中科院凝練總結(jié)出59項(xiàng)“率先行動(dòng)”計(jì)劃第一階段重大科技成果及標(biāo)志性進(jìn)展。“光合作用光系統(tǒng)等超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控”名列其中。

光合作用為地球上幾乎所有生命提供了賴以生存的物質(zhì)和能量。“生物體內(nèi)的光合作用復(fù)合體就像一個(gè)個(gè)小工廠的不同功能單元，既有向外捕獲光能的‘天線系統(tǒng)’單元，也有進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化反應(yīng)的‘反應(yīng)中心’單元。”中科院生物物理研究所（以下簡稱生物物理所）研究員柳振峰對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，“解析它們的結(jié)構(gòu)，就像搞清楚一個(gè)生產(chǎn)車間裝配線上的設(shè)備和物料是怎么排列的。這對(duì)理解地球生命能量工廠的運(yùn)作原理至關(guān)重要。”

中科院在光合作用研究領(lǐng)域有數(shù)十年的積淀，近年來更是在揭示相關(guān)復(fù)雜超分子體系的精密裝配、工作原理以及調(diào)控機(jī)制方面，取得了一系列重大成果。

向更高的分辨率進(jìn)軍

“生命科學(xué)領(lǐng)域里，光合作用是一個(gè)長盛不衰的課題。”生物物理所研究員李梅說。200余年間，國際上與光合作用相關(guān)的研究成果已經(jīng)十余次問鼎諾貝爾獎(jiǎng)。

然而，關(guān)于植物光系統(tǒng)Ⅱ的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究卻一直相對(duì)滯后。多年來，國內(nèi)外許多科研團(tuán)隊(duì)都在為解析其高分辨率三維結(jié)構(gòu)而競跑，但要么鎩羽而歸，要么遲遲難以突破。

直到2016年，生物物理所生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室柳振峰課題組、章新政課題組和常文瑞—李梅課題組組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在國際上首次解析了菠菜光系統(tǒng)Ⅱ—捕光天線超級(jí)復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了捕光天線與光系統(tǒng)Ⅱ核心復(fù)合物之間的相互裝配機(jī)制和能量傳遞途徑。

這是一個(gè)重大突破。

玉米葉片、小白菜、菠菜……在常見的高等植物中，研究人員發(fā)現(xiàn)用菠菜葉片制備出的樣品具有最好的均一性。然而他們也知道，早些年國際上一個(gè)非常著名的科研團(tuán)隊(duì)也在用菠菜材料做類似的工作，但是效果一直不夠理想。

研究團(tuán)隊(duì)仔細(xì)分析了其中的原因，發(fā)現(xiàn)問題出在樣品制備和保存的流程及條件不夠完善，冷凍電鏡設(shè)備、技術(shù)和方法都沒有達(dá)到最佳狀態(tài)上。他們意識(shí)到，這其中還有很大的提升空間。

“我們的目標(biāo)是什么？要做多高的分辨率？”擅長冷凍電鏡技術(shù)的章新政問。

“為了區(qū)分復(fù)合體中不同類型的色素分子，我們需要朝著2.7埃或更高的目標(biāo)去做。”柳振峰回答。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，章新政課題組研發(fā)出了新的三維重構(gòu)算法。三個(gè)課題組通力合作，在前期3.2埃的分辨率基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將超級(jí)復(fù)合物的分辨率提高到了2.7埃。

“雖然總體分辨率在數(shù)值上只提高了0.5埃，看似很小，但是最終三維重構(gòu)結(jié)果的圖中能更清楚地分辨不同氨基酸的側(cè)鏈，觀察到氧原子的突起，并可以區(qū)分不同的色素分子。后續(xù)工作中，我們團(tuán)隊(duì)又合作解析了更復(fù)雜的植物光系統(tǒng)Ⅱ—捕光天線超級(jí)復(fù)合物以及多個(gè)光合作用捕光和電子傳遞調(diào)控相關(guān)超級(jí)復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。”章新政說。

老牌團(tuán)隊(duì)的新突破

除了我們最為熟悉的各種綠色植物外，地球上的光合生物還包括光合細(xì)菌、原核藍(lán)細(xì)菌、真核藻類等。不同光合生物的光系統(tǒng)有著不同的結(jié)構(gòu)和組分。

在生物物理所對(duì)菠菜等高等植物潛心鉆研時(shí)，中科院植物研究所（以下簡稱植物所）把目光投向了藻類。

植物所研究員沈建仁和中科院院士匡廷云團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)在光合作用研究領(lǐng)域耕耘了30余年，是一支“老”牌的“先”鋒隊(duì)。

“硅藻具有特殊的捕光天線蛋白，被稱為巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白（FCP）。但是FCP復(fù)合體的結(jié)構(gòu)長期無法被解析，很大程度上限制了在分子水平上對(duì)硅藻光合作用機(jī)理的研究。”沈建仁告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我們的工作第一次報(bào)道了硅藻FCP的結(jié)構(gòu)。”

硅藻光系統(tǒng)Ⅱ-FCPⅡ復(fù)合體很適合用冷凍電鏡技術(shù)來解析。但是冷凍電鏡對(duì)樣品的要求很高。他們通過優(yōu)化和提高蛋白分離提純方法，獲得了高純度、高活性、高均一性的膜蛋白樣品。憑借樣品純化優(yōu)勢和制備高分辨率晶體的經(jīng)驗(yàn)，他們很快獲得了規(guī)則的硅藻FCP晶體。研究人員還巧妙地解決了FCP蛋白的相位問題，解析出了三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃分辨率的晶體結(jié)構(gòu)。

之后，他們還和清華大學(xué)隋森芳研究組合作，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別發(fā)揮在樣品提純和電鏡解析方面的優(yōu)勢，解析了中心綱硅藻光系統(tǒng)Ⅱ-FCPⅡ超級(jí)復(fù)合體3.0埃分辨率的結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過近6年的刻苦攻關(guān)，科研人員取得了硅藻光合膜蛋白的第一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)和光系統(tǒng)Ⅱ-FCPⅡ超大復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，兩項(xiàng)研究結(jié)果都發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

從“率先行動(dòng)”走向率先成功

這些成果不僅分別入選2016和2019年度的中國科學(xué)十大進(jìn)展，也彰顯了中國在光合作用研究領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

幾位研究者表示，中科院“率先行動(dòng)”計(jì)劃給予的穩(wěn)定支持，起到了非常重要的作用。

“四類機(jī)構(gòu)改革以來，依托生物物理所新成立的中科院生物大分子科教融合卓越創(chuàng)新中心，給我們的工作帶來了很大助力。這種支持絕不僅僅體現(xiàn)在經(jīng)費(fèi)上。”李梅說，“光合作用領(lǐng)域是一個(gè)熱鬧的競技場，國際上許多團(tuán)隊(duì)都在爭先恐后。進(jìn)入卓越創(chuàng)新中心后，研究所在冷凍電鏡機(jī)時(shí)和設(shè)備條件保障等方面為光合作用研究的順利開展給予傾斜支持，這對(duì)我們團(tuán)隊(duì)率先取得成果助益頗大。”

此外，生物物理所和植物所的兩項(xiàng)工作還得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的大力支持。在“生物大分子復(fù)合體結(jié)構(gòu)與功能的跨尺度研究”和“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”等先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下，他們有關(guān)光合作用的研究有望做出新的基礎(chǔ)研究成果，發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。

“光合作用不僅僅是一種自然現(xiàn)象，它對(duì)能源、糧食、環(huán)境等人類社會(huì)問題也具有啟示意義。”沈建仁說，“我們的工作有助于科學(xué)家通過人工模擬光合作用的機(jī)理，從太陽能取得清潔可再生能源；并有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)高光效的新型作物。”

在“率先行動(dòng)”計(jì)劃的大力支持下，中科院超大分子復(fù)合體結(jié)構(gòu)與功能的研究隊(duì)伍，不僅在光合作用復(fù)合體中取得重大突破，還取得了包括TRIC-B通道門控機(jī)制、脂多糖跨細(xì)菌膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、卵子獨(dú)特表觀遺傳狀態(tài)建立機(jī)制、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的調(diào)控機(jī)制，酰基轉(zhuǎn)移酶蛋白DLtB結(jié)構(gòu)、分枝桿菌能量代謝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等諸多重要成就。